JP6079604B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

一般的な内燃機関の制御装置は、内燃機関の制御量に関して目標値が与えられた場合、同制御量の出力値を目標値に追従させるようにフィードバック制御によって内燃機関の制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際の内燃機関の制御においては、内燃機関の状態量に関してハード上或いは制御上の様々な制約が存在している場合が多い。それらの制約が充足されない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。制約の充足性は、目標値に対する出力値の追従性と同じく、内燃機関の制御において求められる重要な性能の１つである。

リファレンスガバナは上記要求を満たすための１つの有効な手段である。リファレンスガバナは制御対象である内燃機関とフィードバックコントローラとを含む閉ループシステム（フィードバック制御システム）をモデル化した予測モデルを備え、制約が課せられている状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、状態量の予測値とそれに課せられた制約とに基づいて内燃機関の制御量の目標値を修正する。

本出願の発明者は既に、下記の特許文献１において、リファレンスガバナを内燃機関の制御に適用した先行技術を開示している。この先行技術において、リファレンスガバナは、フィードバック制御に係る閉ループシステムの動特性を「むだ時間＋２次振動系」でモデル化したプラントモデルを用いて、過給圧や充填効率といった特定状態量の将来の軌道を予測し、特定状態量に課せられる制約を満足するように目標値を整形する。また、リファレンスガバナを用いて将来の軌跡を予測する範囲は、プラントモデルにおけるむだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間に設定される。

特開２０１３−０８４０９１号公報

ところで、特許文献１のリファレンスガバナを用いた将来予測においては、内燃機関に噴射される燃料量といった外部入力の将来情報が上記予測範囲内で一定であることを前提としている。しかしながら、当該予測範囲内に亘って燃料噴射量が変化しないとするのは現実的ではない。従って、燃料噴射量が急変するようなケースにも対応できるような改良が望まれる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、リファレンスガバナを用いた将来予測において、外部入力である燃料噴射量が急変するような場合においても目標値を安定的に整形することを目的する。

上記の目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、
過給機を備える内燃機関の制御量の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用い予め設定された予測区間に亘って前記内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した前記予測値と前記特定状態量に課せられた制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記特定状態量は、過給圧であり、
前記リファレンスガバナは、前記予測区間の開始時点での燃料噴射量が前記予測区間に亘って保持されると仮定して計算した前記過給圧の第１将来予測値と、前記予測区間の開始時点直前の燃料噴射量の変化率が前記予測区間に亘って保持されると仮定して計算した前記過給圧の第２将来予測値と、前記過給圧に課せられた制約とに基づいて前記目標値を修正することを特徴とする。

本発明の制御装置によれば、予測区間の開始時点での燃料噴射量が予測区間の終了時点まで保持されると仮定して計算した特定状態量の予測値（第１将来予測値）のみならず、予測区間の開始時点直前の燃料噴射量の変化率が予測区間に亘って保持されると仮定して計算した特定状態量の将来予測値（第２将来予測値）をも用いてフィードバックコントローラに与えられる目標値を修正できる。従って、外部入力である燃料噴射量が急変するような場合においても、特定状態量である過給圧の目標値を安定的に整形することが可能となる。

ディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。 実施の形態の制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。 図２に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。 実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。 加速中の燃料噴射量のプロファイルの決定手法を説明する図である。 本発明の制御装置を適用可能なディーゼルエンジンの制御入力および制御出力の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。

本実施の形態の制御装置は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンの制御装置である。制御対象であるディーゼルエンジンは、詳しくは、可変容量ターボチャージャーとＥＧＲ装置とを備えるディーゼルエンジンである。図１は本実施の形態の制御装置が適用されるディーゼルエンジン（ＤＥ）の入出力を示す図である。ディーゼルエンジンの制御入力（操作量）は可変ノズル開度（ＶＮ開度）、ＥＧＲ弁開度、及び、ディーゼルスロットル開度（Ｄ開度）であり、ディーゼルエンジンの制御出力（状態量）は過給圧とＥＧＲ率である。

過給圧にはハード上或いは制御上の制約として上限値が設定されている。本実施の形態の制御装置は、過給圧（特定状態量）を上限値以下に維持しながら、過給圧とＥＧＲ率のそれぞれを目標値に追従させるようにディーゼルエンジンの制御入力を決定する。その制御構造が図２に示す目標値追従制御構造である。図２に示すように、目標値追従制御構造は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）およびフィードバックコントローラを備えている。

目標値マップは、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の運転条件を示す外生入力ｄ＝［エンジン回転数；燃料噴射量］が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］を出力する。外生入力ｄに含まれるこれらの物理量は計測値でもよいし推定値でもよい。

リファレンスガバナは、制御量の目標値ｒが与えられると、過給圧ｙに関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、修正目標値ｗ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］を出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。

フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから修正目標値ｗが与えられると、ディーゼルエンジンの各状態量ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧］を修正目標値ｗに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジンの制御入力ｕ＝［ディーゼルスロットル開度；ＥＧＲ弁開度；可変ノズル開度］を決定する。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。例えば、比例積分フィードバックコントローラを用いることができる。

図３は、図２に示した目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造を示す図である。図２において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図３に示すフィードフォワード構造では１つのモデルとされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｈはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している。

リファレンスガバナは、上記の式（１）で表される予測モデルを用いて制御対象の制御出力ｙの予測値ｙ^を計算する。本実施の形態における制御出力ｙは過給圧であり、制御出力ｙには制約が課せられている。制御出力ｙがその上限値ｙ^-以下であることが制御出力ｙに課せられた制約である。制御出力予測値ｙ^の計算には、状態量ｘおよび外生入力ｄに加えて修正目標値ｗが用いられる。リファレンスガバナは、制御出力予測値ｙ^と制御出力上限値ｙ^-とに基づき、次式（２）で表される評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。

式（２）に示した評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は、修正目標値候補ｗを変数とする目的関数である。この目的関数は、オリジナルの目標値ｒと修正目標値候補ｗとの距離が小さいほど小さな値を取るように構成されている。評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項および第３項は、異なる２つの運転条件（燃料噴射条件）のもとで上記式（１）により将来予測した出力予測値ｙ^の重み付き和によって演算される項である。ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}およびρ_{ｔｒａｎｓｉｅｎｔ}は、重み係数である。

２つの運転条件とは、具体的に、現在における燃料噴射量が維持される条件（定量噴射条件）、および、現在に至るまでの変化率で燃料噴射量が変化する条件（定率噴射条件）である。Ｊ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}は、定量噴射条件が予測区間の開始時点から終了時点まで続くと仮定して、予測モデルを用いて予測した出力予測値ｙ^_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}に基づいて算出した制約抵触量の総和であり、次式（３）で表される。Ｊ_{ｔｒａｎｓｉｅｎｔ}は、定率噴射条件が予測区間に亘って続くと仮定して、予測モデルを用いて予測した出力予測値ｙ^_{ｔｒａｎｓｉｅｎｔ}に基づいて算出した制約抵触量の総和であり、次式（４）で表される。

本実施の形態の制御装置においては、式（２）に示した評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗが最終的な修正目標値ｗとして用いられる。式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）は、制約無し最適化問題として解くことができる。ただし、リファレンスガバナを用いた目標値追従制御構造を実際のエンジンに適用する場合は、評価関数Ｊ（ｗ）をオンラインで最適化できるようにすることが望ましい。そのため、本実施の形態の制御装置では、評価関数Ｊ（ｗ）の最小値探索の手法として公知の手法である最急降下法を採用している。

図４は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図４に示すように、本実施の形態では、修正目標値候補ｗに対して、現在の運転噴射量（即ち、定量噴射条件）に基づく予測と、加速中の燃料噴射量のプロファイル（即ち、定率噴射条件）に基づく予測とが並列に行われる。そして、これらの予測結果を用いた目的関数の計算を有限回反復することで、式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗを選択し、最終的な修正目標値ｗとして決定する。

図５は、加速中の燃料噴射量のプロファイルの決定手法を説明するための図である。図５に示す予測プロファイルが、加速中の燃料噴射量のプロファイルに相当している。加速中の燃料噴射量のプロファイルは、現在に至るまでの燃料噴射量の傾きｄＱ／ｄｔを最大噴射量（Ｑｆｕｌｌ）まで延長し、仮に予測区間内で最大噴射量に到達した場合には、この値で推移するものとして決定される。なお、傾きｄＱ／ｄｔは、現在における燃料噴射量と、その直前の燃料噴射量（例えば、前回の燃料噴射量）とから計算される。

現在の運転噴射量に基づく予測と加速中の燃料噴射量のプロファイルに基づく予測とを組み合わせて将来予測を行う本実施の形態によれば、将来の燃料噴射のトレンドを加味した目標値追従制御を実現できる。そのため、例えば運転者によってアクセルが急に踏まれて燃料噴射量が急に増加したような場合において、オーバーシュートといった不具合が発生するのを未然に防止できる。また、定常状態で保守的な予測になることがなく、過給圧の応答性を向上させることも可能となる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
図２に示した目標値追従制御構造は、制御対象のディーゼルエンジンが低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムとを有する場合には、図６の（ａ）〜（ｄ）に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図６の（ａ）及び（ｂ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図６の（ｃ）及び（ｄ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＬＰＬ−ＥＧＲ量）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＨＰＬ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

さらに、本発明に係る制御装置が適用される内燃機関はディーゼルエンジンのみに限定されない。例えば、ガソリンエンジンやハイブリッドシステム等の他の車載動力の他、燃料電池システムにも適用することができる。

なお、上述の実施形態においては、出力予測値ｙ^_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}が本発明の「第１将来予測値」に、出力予測値ｙ^_{ｔｒａｎｓｉｅｎｔ}が本発明の「第２将来予測値」に、それぞれ相当している。

Claims (1)

1. 過給機を備える内燃機関の制御量の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
   前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用い予め設定された予測区間に亘って前記内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した前記予測値と前記特定状態量に課せられた制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
   前記特定状態量は、過給圧であり、
   前記リファレンスガバナは、前記予測区間の開始時点での燃料噴射量が前記予測区間にに亘って保持されると仮定して計算した前記過給圧の第１将来予測値と、前記予測区間の開始時点直前の燃料噴射量の変化率が前記予測区間に亘って保持されると仮定して計算した前記過給圧の第２将来予測値と、前記過給圧に課せられた制約とに基づいて前記目標値を修正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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